不同大氣穩定度下臺風“莫拉克”（2009）的近地風場特性

李田田，屈宏雅，朱 蓉，李永平，湯勝茗，*

(1.中國氣象局 上海臺風研究所，上海 200030；2.同濟大學，上海 200092；3.國家氣候中心，北京 100081)

0 引 言

我國地處西北太平洋西岸，海岸線綿長，每年約有7～9個臺風登陸我國，是全球臺風災害最嚴重的國家之一[1]。臺風登陸時所致強風，以及脈動風結構和湍流特性與良態風相比存在顯著差異，是防臺減災、工程結構抗風設計、風能資源評估的重要研究內容。

武占科等[2]分析了距地面200 m以上不同高度的臺風脈動風特性，發現臺風脈動風特性不宜采用良態風的統計值，臺風實測風譜與規范譜有一定的偏差。胡尚瑜等[3]研究指出臺風風場平均風速剖面指數、湍流強度和陣風因子均大于良態風場實測值。徐安等[4]提出臺風脈動風速概率分布模型與風速大小有關，當風速較小時，脈動風速概率分布接近正態分布；當風速較大時，則與正態分布相差較大。Powell等[5]和Franklin等[6]基于GPS下投式探空數據，對臺風邊界層的平均風速剖面進行研究，發現在近地面層200 m高度內風速隨高度的變化仍符合對數律。肖儀清等[7]依據近海面觀測資料研究了臺風登陸過程中風場特性，結果表明當下墊面為海面時，平均風速剖面指數與規范推薦值有較大差異。趙林等[8]通過分析超強臺風“山竹”的近地外圍風場風速剖面演變特性，發現臺風遠端風場S形和反C形2種風剖面形態，并提出Vickery模型對臺風遠端風場1.5 km高度范圍內低空急流風剖面的擬合效果較好，但不能重現S形風剖面上部風剖面形態。王旭等[9]基于Kaimal互功率譜，提出了臺風影響期間近地層縱向與豎向以及縱向與橫向脈動風速分量之間的互功率譜修正模型，且與實測譜符合較好。Yu等[10]依據四個臺風的觀測數據進行功率譜分析，發現在低頻時臺風條件下的湍動能顯著高于良態風條件下。王澈泉等[11]分析了城市地貌下臺風影響期間不同時距的平均風速、湍流強度和陣風因子，結果表明，當平均時距較大時（＞5 min），湍流強度的均值較大且變異系數較小，湍流特性計算較為穩定。關于不同平均時距的問題，WMO規程[12]針對不同來流條件（陸地風、海洋風、離岸風、近岸風）建議了臺風條件下采用不同平均時距（3 s，1 min，2 min，3 min，10 min，1 h）時陣風因子的轉換關系，為不同平均時距的選擇與轉換提供了較為合理的依據和方法。Schroeder等[13]分析了七個登陸臺風的移動觀測數據，發現風向變化及來流方向地表粗糙度對風場特性影響較大，并且在臺風眼墻或者最大風速位置，陣風因子和湍流強度略微降低，而湍流積分尺度卻增大。Miller等[14]通過對多個觀測站得到的十年臺風數據進行研究，同樣提出湍流強度和陣風因子受來流地形影響很大，還指出當下墊面從粗糙地形變到平坦地形時，至少需要1 km的距離才能使10 m高度的風在新地形下重新達到平衡。Mashiko和Shimada[15]研究了2015年臺風“天鵝”的中心結構，發現當臺風眼墻逼近觀測站時，風速發生顯著波動，3 s陣風可達64.3 m/s，陣風因子可達2.1。除了眼墻外，眼區內的平均風速、風向變化也比較劇烈，眼區中心的風速在0～10 m/s之間波動。更多研究[16-21]分析了臺風影響期間的平均風速、湍流強度、極端風速、陣風因子、摩擦速度等風場特性的演變特征，但研究內容較少涉及大氣穩定度對臺風風場特性，特別是湍流特征的影響。

大氣穩定度反應了大氣湍流狀態及穩定程度[22]。在良態風時，有研究表明[23-27]不同大氣穩定度條件下平均風速剖面有顯著差異，并有學者[25-26]根據不同穩定度條件建立不同風速剖面的修正模型。例如，對數律形式的風速剖面僅適用于中性大氣邊界層內[28]，若在非中性層結下應用，則需要采用穩定度修正函數對其進行修正[22,25]。Sathe等[29]對不同大氣穩定度下風電機組所受載荷的差異進行研究，發現在穩定層結下，風電機組塔架受到的荷載比中性條件下減少17%；在不穩定層結下，荷載比中性條件減少3%。然而，對于風電機組轉子受到的荷載卻有相反的結論，考慮大氣穩定度時得到的荷載比中性條件高12%。在臺風條件下，王旭等[30]對臺風“梅花”影響期間風場特性進行分析，發現中性層結下水平平均風速小于非中性條件下。柯清派等[31]對臺風“黑格比”的實測數據進行分析時發現非中性層結出現頻率達到64%，且考慮大氣層結狀況的風速剖面模型可以更好地刻畫海面風場的風速分布。綜上，目前關于大氣穩定度比較成熟的研究多集中在良態風場，對臺風影響期間非良態風場狀態下大氣穩定度對風場特性的影響研究比較匱乏。因此，本研究將基于臺風“莫拉克”（2009），探究不同大氣穩定度下臺風風場特性的差異，填補這一研究領域的空白。

已有學者針對“莫拉克”做了一些研究。文獻[32-35]對“莫拉克”登陸期間強度、結構、路徑演變特征進行了動力學分析。李永平等[36]分析了“莫拉克”登陸過程中的地面陣風特性，發現地面陣風主要呈3～7 min周期性變化，且存在明顯的相干結構。張容焱等[37]分析了“莫拉克”影響范圍內的33座測風塔觀測資料，研究發現陣風系數隨高度變化與地形有關，一般情況下隨高度升高而減小，在復雜地形條件下不符合隨高度升高而減小的規律。關于“莫拉克”的已有研究也鮮少涉及臺風影響期間大氣穩定度的分析。

本研究利用近海岸一座120 m和兩座100 m高的測風塔獲得的2009年臺風“莫拉克”數據，分析臺風影響期間大氣層結狀況，臺風風場不同高度的平均風速、平均風向、湍流強度、陣風因子和湍流積分尺度的演變規律，以及脈動風速譜的特征，以探究不同大氣穩定度下臺風風場特性的差異性，為防臺減災和工程結構抗風設計等提供參考。

1 “莫拉克”及觀測試驗概述

1.1 “莫拉克”概況

2009年第8號臺風“莫拉克”（Morakot）于8月3日在西北太平洋生成，其最佳路徑如圖1所示，數據來源于中國氣象局上海臺風研究所[38]。“莫拉克”在2009年8月5日加強為臺風級別，7日23:45（北京時間，下同）在臺灣花蓮首次登陸，登陸時近中心最大風力達13級（40 m/s），8日進入臺灣海峽后向北偏折。圖2（a）所示為8日16:00時“莫拉克”的雷達圖像。“莫拉克”的結構呈現不對稱性，臺風眼區和眼墻區結構松散，強對流主要位于眼區以南和以東區域。為了輔助分析，“莫拉克”的最佳路徑（紅色實線）和相近時刻最大風速半徑（紅色虛線圓圈）也標注在雷達圖中。最大風速半徑數據來源于聯合臺風警報中心（JTWC）[39]。9日16:20“莫拉克”在福建霞浦再次登陸，登陸時中心附近最大風力達12級（33 m/s）。圖2（b）為 9日16:00時“莫拉克”的雷達圖像，以及相近時刻最大風速半徑。此時，由于登陸影響，臺風強度減弱，不對稱結構更加明顯。

圖1 “莫拉克”最佳路徑及測風塔位置Fig.1 The best track of typhoon Morakot and locations of wind towers

圖2 “莫拉克”雷達圖像Fig.2 Radar images of typhoon Morakot

1.2 觀測試驗

“莫拉克”觀測采用英國Gill公司生產的WindMaster Pro型超聲風速儀（圖3），其在邊界層湍流觀測和風工程測量中應用廣泛。該儀器使用環境溫度為-40 ℃～+70 ℃；風速測量范圍是0～65 m/s，測量精度為 0.01 m/s；風向測量范圍是 0°～359°，測量精度為0.1°；數據采樣頻率為10 Hz。本研究數據測量時間范圍是8月7日00:00時至8月11日00:00時。

圖3 WindMaster Pro型超聲風速儀探頭Fig.3 A WindMaster Pro ultrasonic anemometer

如圖1所示，在“莫拉克”中心經過的路徑上，有三座安裝超聲風速儀的測風塔獲取了該臺風的風況數據。測風塔編號依次為 T1（121.57°E，28.44°N）、T2（120.48°E，27.17°N）和 T3（120.35°E，26.96°N），其距離臺風中心的最短距離分別為158 km、76 km和59 km。測風塔T1位于浙江臺州東海塘（圖4（a）），風塔周邊為村落、農田、沙地等平坦地形，風塔東面距離海岸線約11 km。塔高為120 m，塔基離海平面20 m，在塔的50 m、70 m、100 m和120 m四層高度分別安裝了超聲風速儀。測風塔T2和T3分別位于浙江溫州霞關和福建福鼎崳山島，塔高均為100 m，并均在70 m高度安裝了超聲風速儀。其中，T2塔位于有樹木的平緩山坡上（圖4（b）），塔基離海平面53 m；塔的北面為山地地形，北向海拔較高且最高海拔約245 m；塔的西南和南面靠近海岸，最短距離約180 m；塔的東面距離海岸較遠，約570 m。T3塔位于海島上一條西北-東南走向的山脊上（圖4（c）），塔基離海平面344 m；該處地勢陡峭且有樹木，東南向海拔較高，最高海拔約486 m；塔的北面距離海岸最近，最短距離約1.3 km。

圖4 測風塔周邊地表特征Fig.4 Surroundings of the wind towers

2 觀測試驗數據處理

2.1 質量控制及樣本選擇

為了避免臺風登陸過程伴隨的強降水對超聲風速儀觀測數據可能造成的影響，首先，根據超聲風速儀的數據判別碼去除無效數據。其次，依據文獻[40-42]提供的方法，去除野點、隨機脈沖等異常點（由于環境因子干擾、電源不穩定、湍流信號本身隨機性等原因引發的異常信號），缺失的數據采用線性插值方法進行填補。臺風登陸過程中風速時程常伴隨非平穩過程，進行臺風脈動特性分析時，將時間序列去掉趨勢項[42-43]，并進行平穩性檢驗[44]，使得每個樣本盡量滿足平穩各態遍歷隨機過程的要求。最后，對“莫拉克”進行多樣本分析，樣本的平均時距取為10 min，每個樣本包含600個數據。

2.2 數據代表性判別

圖5給出了各個時刻三座測風塔與臺風中心的距離，以及“莫拉克”的最大風速半徑。結合圖2的雷達圖像，可以判斷在2009年8月9日14:00時至10日02:00時之間（臺風第二次登陸前后），測風塔T2、T3位于“莫拉克”的眼墻區或者最大風速位置，在其他時刻位于外圍雨帶區。測風塔T1則一直位于“莫拉克”的外圍雨帶區。為了進一步確定臺風核心強風區域是否經過觀測點，依據以下兩點進行判別[45-46]：一是測風塔獲取的臺風強風（17.2 m/s以上）風向角應出現大幅度的轉換；二是臺風過程的風速時程曲線呈“M”型變化，即強風出現雙峰型分布，雙峰之間的底部（為臺風眼區）出現小于11 m/s的風速，即可判斷為臺風眼區經過。從圖6“莫拉克”經過測風塔時10 min平均風速、風向的時程變化曲線可以看出，風速時程曲線最大風速低于17.2 m/s，且沒有明顯的“M”型變化，因此不滿足以上兩條判別條件，不屬于臺風眼區。綜上所述，測風塔T1的觀測數據代表臺風外圍風場特性，測風塔T2和T3的數據代表臺風外圍和眼墻邊緣風場特性。

圖5 各時刻臺風中心與測風塔距離及“莫拉克”最大風速半徑RMV（★對應臺風中心距離測風塔最近的時刻，下同）Fig.5 Distances between the typhoon center and wind towers and the radius of maximum velocity (RMV) of typhoon Morakot(★ indicates the time instant when the typhoon center is closest to the wind tower)

圖6 “莫拉克”穿過測風塔前后10 min平均風速、風向時程曲線Fig.6 Time histories of 10 min-averaged horizontal wind velocity and direction when Morakot passes wind towers

2.3 數據處理

超聲風速儀x、y、z三個方向測得的三維風速時間序列分別為ux(t)、uy(t)和uz(t)。以10 min為時距進行分析，水平平均風速U和水平平均風向角 θ根據公式（1-2）進行計算。

豎向風速方向與風速儀z坐標軸相同，因此豎向平均風速W為：

在平均時距內，順風向脈動風速u(t)、橫風向脈動風速v(t)和豎向脈動風速w(t)根據公式（4-6）計算。

湍流強度I定義為平均時距內脈動風速均方根與水平平均風速的比值，其表征臺風的脈動強度，是確定結構所受風荷載的關鍵參數之一。

式中：σi分別表示脈動風速u(t)、v(t)、w(t)的均方根，U為10 min時距內水平平均風速。

陣風因子G也可表征臺風的脈動強度，定義為平均時距內陣風持續時間為 τ的平均風速最大值與平均時距內的水平平均風速之比，即公式（8-10），其中 τ取為3 s。

湍流積分尺度l用來描述風場中湍流渦旋平均尺度，根據Taylor假設[47]用自相關函數進行計算：

式中：R(τ )為脈動風速的自相關函數。

脈動風速譜S(n)在頻域上表征了臺風的脈動特征，描述了湍動能在不同尺度水平上的能量分布。其也是結構抗風設計的重要參量之一。有研究表明[7,9,16]，von-Karman譜能夠較好地反映臺風實測結果，其順風向脈動風速譜函數表示為：

大氣穩定度反應了熱力因子（浮力對流）與動力因子（雷諾應力）對湍流作用的相對重要性。大氣運動時，湍流狀態的維持既有浮力也有雷諾應力的作用。雷諾應力做功表現為風剪切導致湍流的機械產生，其值始終為正。浮力作用基于對流的產生與否可加強或抑制湍流，因此浮力做功可正可負。在中性層結條件下，浮力影響可以忽略不計，空氣流動主要由大氣邊界層底層地形和粗糙度等導致的機械湍流控制，此時，對數律形式的風速剖面規律仍可保持。在穩定層結條件下，空氣反抗負浮力做功消耗湍流能量。相反地，在不穩定層結下，浮力做正功，且浮力作用逐漸超過動力影響占據控制優勢，引起對流混合，增強湍流能量。因此，對于大氣穩定度的判別，可根據浮力做功和雷諾應力做功的相對大小來確定。目前常采用梯度理查森數Ri[25]和莫寧-奧布霍夫長度L[48]兩種參數作為穩定度的判據。Ri可根據兩個高度之間的溫度和風速梯度進行計算，不需要湍流脈動測量結果。L的計算涉及摩擦速度、豎向溫度通量等湍流數據，需要借助三維超聲風速儀、渦動系統等測量設備。本研究的觀測數據系由WindMaster Pro型超聲風速儀獲得，由此選擇更為貼近的莫寧-奧布霍夫長度法對大氣層結狀況進行判定，L的計算公式如下。

式中：u*為摩擦速度；κ為卡曼常數，取0.4；g為重力加速度，取 9.8m/s2；為10 min時距內平均溫度；θ為溫度脈動，表示10 min時距內平均溫度豎向通量。由文獻[26]可知：當 |L|≥500 m時，大氣處于中性狀態；當10 m＜L＜500 m時，大氣處于穩定狀態；當–500 m＜L＜–50 m時，大氣處于不穩定狀態。

3 結果分析

3.1 大氣穩定度

大氣穩定度的判別可根據莫寧-奧布霍夫長度L來確定，但當大氣處于中性狀態時，L可能趨于無限長，考慮實用中的便利性，常用無因次量z/L來代替L作為穩定度的度量。相應的判別準則變為：當-0.002z≤z/L≤0.002z時，大氣處于中性狀態；當z/L＞0.002z時，大氣處于穩定狀態；當z/L＜-0.002z時，大氣處于不穩定狀態。因此，測風塔50 m、70 m、100 m、120 m不同觀測高度對應的判別大氣穩定度的閾值分別為±0.1、±0.14、±0.2 和±0.24。例如在 50 m 高度時，當 - 0.1≤z/L≤0.1 時，大氣處于中性狀態；當z/L＞0.1時，大氣處于穩定狀態；當z/L＜-0.1 時，大氣處于不穩定狀態。

圖7為“莫拉克”影響期間大氣穩定度隨時間的變化歷程。表1統計了不同穩定度出現的頻率。其中，測風塔T2在臺風第二次登陸前后、測風塔T3在第一次登陸后，數據缺失相對較多，因此，以測風塔T1為主進行大氣穩定度的相關分析。從圖7和表1可以看出，中性層結狀況出現頻率最高（52%～64%），主要集中在臺風第一次登陸前；不穩定層結主要出現在臺風登陸前后及臺風穿過測風塔時；穩定層結主要出現在臺風第二次登陸前。不同高度上大氣穩定度分布略有不同。在50 m高度時，不穩定層結出現頻率高于穩定層結；而隨著高度的升高，穩定層結出現頻率逐漸增大，從18%增大到35%，不穩定層結出現頻率逐漸減小，從30%減小到10%。說明低空大氣由于受地表熱量和摩擦影響趨于不穩定，而高空大氣受影響較小趨于穩定。

表1 臺風“莫拉克”期間不同大氣穩定度出現頻率Table 1 The occurrence frequencies of different atmospheric stability conditions during the passage of typhoon Morakot

圖7 大氣穩定度隨時間變化歷程Fig.7 Time histories of the atmospheric stability

3.2 平均風速、風向

基于實測數據，以10 min為時距計算的平均風速、風向如圖8所示。測風塔T1在50 m、70 m、100 m、120 m四層高度的平均風速、風向隨時間演變規律基本一致。“莫拉克”在第一次登陸前后，風速在10～17 m/s（6～7級風）之間變化，總體變化較為平緩，風向東南和正南。此后，由于臺風越來越靠近測風塔，風速開始緩慢增加，風向基本保持南風。在臺風第二次登陸前，風速有較大波動，在登陸后，風速明顯減小，直至距測風塔T1最近時，風速再次增強，風向逐漸由南風轉為西風為主。測風塔T2的平均風向在第一次登陸前后以東南風為主，在第二次登陸后，風向轉為西風和西北風。測風塔T2的平均風速總體呈現比T1塔更為明顯的增強-減弱趨勢，在9日00:00時和7:00時附近風速達到最大，超過25 m/s（10～11級風），分析是由于臺風螺旋雨帶區的影響（圖2（a））以及眼墻區的逼近，使得風速增強，并且T2塔距離臺風眼墻更近，風速增強更為明顯。但在第二次登陸后，風向轉為西風和西北風，此時風從陸地吹向海洋，雖然T2塔仍距離臺風眼墻區較近，但由于海拔較高的山地地形和樹木等遮擋，其風速逐漸減弱，甚至低于T1塔風速。測風塔T3由于儀器原因，只獲取了7日臺風數據。平均風速最大值為31.2 m/s（10～11級），大于同時期T1和T2塔測得的風速值，這是由于T3塔位于海拔較高的海島上，山地地形的加速效應使得風速迅速增強。三座測風塔均位于臺風中心行進方向的右側，風向均呈順時針旋轉，與張容焱等[37]研究結果一致。

圖8 10 min平均風速、風向隨時間變化歷程Fig.8 Time histories of 10 min-averaged horizontal wind velocity and direction

將測風塔T1不同穩定度條件下平均風速出現的頻數進行統計，如圖9所示。在所有高度上，中性層結條件下，平均風速為12～14 m/s出現頻率最高。低空時，不穩定層結下，10～12 m/s出現頻率最高；穩定層結下14～16 m/s出現頻率最高。但高空時，不穩定層結下出現頻率最高的平均風速逐漸變為14～16 m/s，穩定層結下變為12～14 m/s。風速為18～20 m/s時，50 m高度中性層結下樣本數最多，70～120 m高度穩定層結下樣本數最多，這一現象與王旭等[30]認為當平均風速較大時大氣層結近似趨于中性有差異，可能原因是文獻[30]中觀測高度僅為40 m，結論或許有一定的局限性。將平均風向在不同穩定度條件下出現頻數進行統計，發現中性層結下以東南風和南風為主，穩定和不穩定層結下以南風為主。

圖9 不同穩定度條件下平均風速出現頻率（測風塔T1）Fig.9 Occurrence frequencies of 10 min-averaged horizontal wind velocity under different atmospheric stability conditions at Tower T1

3.3 湍流強度

根據各測風塔的平均風速及風速標準差的臺風樣本，統計分析了“莫拉克”影響期間湍流強度的分布規律（圖10）。測風塔T1測得的湍流強度在四層高度上的變化趨勢基本一致，這里僅給出50 m高度結果。總體上，順風向湍流強度高于橫風向和豎向。臺風第一次登陸時，由于臺風中心距離測風塔較遠，湍流強度變化較為平緩；第二次登陸時，湍流強度變化劇烈，湍流強度最大值達到53%。測風塔T2的湍流強度在7日白天較大，而后逐漸減小，在臺風穿過測風塔時，幅值再次增大。這種減小-增大的變化趨勢與T2塔的平均風速增強-減弱的變化趨勢較為一致。這是因為湍流強度計算時采用水平平均風速進行標準化處理，所以隨著風速的增強，湍流強度反而減弱。在“莫拉克”眼墻區影響時段，湍流強度略微降低，與Schroeder等[13]結論一致。在10日12:00-24:00期間，T2塔的橫風向湍流強度大于順風向，說明有樹木和地形遮擋的離岸風對湍流脈動強度的分布有較大影響。測風塔T3的湍流強度與T2塔變化規律一致，但幅值偏小，同樣是由于T3塔處的水平平均風速比T2塔大導致。

圖10 湍流強度隨時間變化歷程Fig.10 Time histories of the turbulence intensity

測風塔T1測得的湍流強度在不同穩定度條件下出現的頻率在各高度上一致，圖11僅展示50 m高度結果。在中性層結條件下湍流強度主要分布在8%～16%之間，且出現頻率分布相對均勻，在非中性層結條件下8%～10%出現頻率最高。

圖11 不同穩定度條件下湍流強度出現頻率（測風塔T1）Fig.11 Histograms of the turbulence intensity under different atmospheric stability conditions at Tower T1

3.4 陣風因子

“莫拉克”影響期間，陣風因子隨時間的演變規律如圖12所示。測風塔T1在四層高度上的變化趨勢基本一致，這里僅給出50 m高度上結果。順風向陣風因子在1.0～1.5之間變化，在臺風第二次登陸時，波動較大，最大值可達2.4。T2塔陣風因子總體演變規律與湍流強度類似，先減小后增大；在眼墻區影響時段內，陣風因子相對較小。陣風因子和湍流強度在眼墻區影響時段內均未出現類似T1塔的劇烈波動，可能是由于數據缺失的原因，未能正確反應真實臺風風場特性。T3塔陣風因子趨勢與T2塔類似，但幅值偏小。不同穩定度條件下陣風因子出現頻率與湍流強度出現頻率趨勢一致。

圖12 陣風因子隨時間變化歷程Fig.12 Time histories of the gust factor

3.5 湍流積分尺度

圖13給出了“莫拉克”的湍流積分尺度隨風場發展的變化情況（測風塔T1僅給出100 m高度上結果）。總體上，順風向湍流積分尺度最大，豎向最小。就測風塔T1和T2而言，在9日00:00時至臺風第二次登陸前后，湍流積分尺度變化劇烈，且橫風向與順風向幅值相當，分析是由“莫拉克”逐漸靠近觀測點以及臺風登陸等導致，順風向和橫風向湍流渦旋尺度相當。從T3塔的積分尺度分布來看，其值在0～1 000 m之間變化，分布比較離散，說明下墊面為陡峭山地地形時，臺風非平穩性較強，湍流積分尺度較大。在不同穩定度條件下，湍流積分尺度的頻率分布趨勢基本一致，且100 m積分尺度均出現頻率最高（圖14），說明大氣層結狀況對湍流積分尺度頻率分布影響不顯著。這可能是因為計算積分尺度所用的自相關函數法基于“Taylor假設”，適用于均勻平穩的純機械湍流（中性層結條件）[45]，所以未能充分反映不同層結狀況的影響。

圖13 湍流積分尺度隨時間變化歷程Fig.13 Time histories of the integral length

圖14 不同穩定度下湍流積分尺度出現頻率（測風塔T1）Fig.14 Histograms of the integral length under different atmospheric stability conditions at Tower T1

3.6 脈動風速譜

圖15為不同穩定度條件下脈動風速譜及與von-Karman經驗譜的對比。由于工程結構通常關心臺風登陸后對結構產生的風荷載效應，所以此處針對測風塔T1和T2，選取臺風登陸后的10 min時距脈動風速譜，其中T2塔的樣本還位于臺風眼墻區影響時段內。從圖15可以看出，在中性層結條件下，脈動風速譜與經驗譜吻合較好，在1～5 Hz頻率范圍內基本符合Kolmogorov的局地均勻各向同性湍流理論[22]，即在慣性子區內風速譜基本滿足-2/3次方律，湍流脈動具有統計相似性。在非中性層結條件下，脈動風速譜與von-Karman譜存在一定偏差。對于測風塔T1，在穩定層結條件下，小于0.2 Hz頻段von-Karman譜略高估了風速譜的能量，而大于1.5 Hz頻段則低估了譜能量；在不穩定層結下，小于 0.3 Hz頻段譜能量被高估，而大于0.8 Hz頻段被低估。對于測風塔T2，在穩定層結下，小于0.2 Hz頻段von-Karman譜高估了風速譜能量，大于1 Hz頻段則低估了譜能量；在不穩定層結下，小于0.1 Hz頻段譜能量被略微高估，而大于1 Hz頻段則被低估。位于眼墻區的風速譜（T2塔）與外圍區的風速譜（T1塔）相比，高頻區風速譜能量在中性層結下偏低，在穩定層結下偏高，在不穩定層結下相近。從工程結構抗風設計所關注的高頻段（＞0.2 Hz）來看，經驗譜基本可以描述中性條件下臺風實測譜，而在非中性條件下存在低估譜能量的情況。此外，臺風不同位置的風速譜在高頻區的能量分布也存在差異。

圖15 實測縱向脈動風速譜與經驗譜的比較（虛線代表von-Karman經驗譜）Fig.15 Comparisons between the empirical and measured power spectra of the fluctuating longitudinal wind speed.Dashed lines represent von-Karman spectra

4 結 論

以往關于臺風影響期間大氣穩定度對風場特性的影響研究多集中在風速剖面模型的刻畫上，而對臺風風場湍流特征和脈動風速譜的研究較少。然而，湍流強度、陣風因子、風速譜等參數與結構所受風荷載、結構效應分析密切相關，對結構抗風設計起著重要的作用。基于此，本文依據2009年臺風“莫拉克”風場的實測數據，分析了臺風影響期間大氣層結狀況及不同大氣穩定度下近地面風場特性，以探究大氣穩定度對臺風風場特性的影響。得到的結論如下：

1）在臺風外圍雨帶區，非中性層結出現頻率約44%，主要出現在臺風登陸前后及臺風外圍穿過測風塔時。當平均風速較大（18～20 m/s）時，隨著高度的增加，大氣層結由中性漸趨于穩定。這與先前研究認為平均風速較大時大氣層結近似趨于中性有差異。進行高層建筑、輸電塔等結構設計時，需注意沿高度方向上大氣穩定度的分層特性。

2）不同穩定度條件下平均風速、湍流強度、陣風因子的分布規律有顯著差異，但平均風向和湍流積分尺度差異較小。由于風速與湍流強度等與結構風荷載的確定直接相關，且已有設計理論多基于中性層結假定，因此需注意非中性層結下這些參數的差異性及對風荷載計算的影響。

3）在中性層結條件下，脈動風速實測譜與經驗譜（von-Karman譜）吻合較好。而在非中性層結下，實測譜比經驗譜在低頻段湍動能偏低，在高頻段偏高。在工程結構所感興趣的高頻區（＞0.2 Hz），經驗譜存在低估譜能量的情況，因此，在非中性層結條件下，有必要對經驗譜依據大氣穩定度進行修正后應用，以防工程結構抗風設計時存在安全隱患。

本研究以“莫拉克”臺風為背景，分析了臺風影響期間不同大氣穩定度下近地面風場特性，但僅涉及一個臺風實例，且觀測位置距離臺風中心較遠，以上結論為初步分析事實，仍需要更多的臺風實測數據來進行驗證。在此基礎上，下一步計劃進一步探究不同大氣穩定度下近地面風場特性產生差異的原因，以及考慮不同穩定度條件的平均風速、湍流強度、陣風因子、脈動風速譜的數學表達，為工程結構抗風設計等提供理論依據。